际物理基本单位 米古今中外,在经济发达和科学技术进步的国家和社会中，其度量衡或现代的计量学都是最先 进的•早在中国发达的秦朝，就统一了中国的度量衡•我们的祖先在几千年以前就寻求利用自 然界物理规律来确定度量衡单位的基准•如利用“黄钟律管” [1]作为中国原长度单位“尺”的基准•“黄钟律管”是以它的共振频率（波长）作为基准，这与当今“米”的定义是 一致的.由于封建社会在华夏大地统治的时间太长，再加上近二三百年来外国的侵略，我们祖 先在科学技术上的发明创造没有保留下来.由于经济落后等原因，使华夏子孙的聪明才智没 有得到很好的发挥•从中华人民共和国成立起，我国开始发展当代的计量科学技术，建立新型 计量单位制•到20世纪80年代，我国的计量科学技术在国际上已居于第4或第5位.今天的计量单位是在1960年第10届国际计量大会上正式通过的并统一命名为“国际单 位制”，其符号是“SI”，是法文“Le Systeme Internationld'Unites”的缩写国际单位 制中有7个基本单位，它们是长度单位“米”（m）、时间单位“秒”（s）、电流单位“安 培”（A）、温度单位“开尔文”（K）、质量单位“千克”（kg）、物质的量单位“摩尔”（mol）、 发光强度单位“坎德拉”（cd）,而平面角的单位弧度（rad）和立方体角的单位球面度（sr）是 国际单位制中的辅助单位.由7个计量基本单位的导出单位和暂时与国际单位制并用的单位 构成了现代社会科学技术以及人们日常生活使用的一切计量单位。
从度量衡发展到今天的计量学，是建立在物理学发展的基础上，随着技术科学与经济发 展的需要而不断进步的.18世纪，由于蒸汽机的发明与应用,推动了当时力学与热力学的进步, 产生了力学计量与热力学计量.19世纪电的发明与应用，诞生了电学计量.到了 20世纪初，普 朗克（Planck）定律△ E=hv确定了能量最小单位，在此基础上发展了量子物理，量子物理学 的应用开创了量子计量.2 “米”定义的前两次更新古老的中国，在4 000年之前就已利用“黄钟律管”的共振频率作为长度单位“尺”的 基准.在18世纪的欧洲，人们还用脚长、肘长等等作为市场交易的临时标准[3].蒸汽机的发明, 牛顿力学与热力学的发展和应用导致了欧洲工业革命•机械制造业的进步需要长度单位尽快 统一.1875年国际米制公约的建立改变了欧洲长度单位不统一的混乱局面•当时规定了以通 过巴黎地球紫外线波长的1/（4X107）来定义“米”的长度.19世纪末，机械制造业迅速发展,1875年定义的“米”的精度已满足不了当时的要求.所 以，在1889年的国际计量大会上通过了用铂铱合金米尺两条刻线间的距离作为1 m的定义值. 一支编号为No.6的铂铱合金米尺称为“国际米原器” •参加米制公约的国家都有一支同样 的铂铱合金米尺，定期与“国际米原器”进行比对,以保证在一定精度范围内国际间长度单 位 “米”的一致性•这是“米”定义的第一次变更.随着对微观世界认识的不断深入,人们发现铂铱合金米尺由于内部精细结构随时间变化, 造成了两条规定刻线间距离的变化，从而无法保证国际米原器所规定的精度：国际米原器的 相对精度为1/107（即1 m的精度为0.1 “m）•受到爱因斯坦对光电效应和光的本质的成功解释 以及普朗克定律的启发•许多科学家提出利用原子辐射的波长值取代国际米原器作为“米” 的新定义•第二次世界大战之后，在德国联邦物理技术研究院（PTB）研制成功了氪-86低压气 体放电灯（简称氪-86灯）.氪-86灯处于一定技术条件下，氪-86同位素原子辐射出的橙黄色谱 线的真空波长值是个“定”值•于是1960年国际计量大会通过了 “米”的新定义：“米等于 氪-86原子的2P2—5d5能级间跃迁辐射真空波长的1 650 763.73倍的长度” •这是“米”定义 的第二次变更.3激光与“米”定义的第三次变更1960年激光诞生了.由于它具有单色性好（干涉能力强）、高亮度和方向性好等物理特点， 因此从1961年起物理学家与计量学家就开始了将激光应用于计量科学和利用激光作为新长 度基准的研究.我国在著名科学家王大珩先生的倡导下,中国计量科学研究院从1963年经原 国家科学技术委员会批准,并作为我国科学技术10年发展规划的重点科研课题,开始了“激 光作为长度副基准的研究”・1969年，中国计量科学研究院又开始了“激光作为长度基准的 研究”.直到1982年科学家们才利用特殊方法对激光输出频率进行稳频，使稳频激光输出频率的 稳定性和复现性优于1/109,比氪-86辐射的橙黄谱线的稳定性和复现性高出百倍以上.1969年以后，用触须二极管成功测量了甲烷稳频3.39p m氦氖激光器输出的频率的绝对值[4]及 其波长的绝对值[5].经过国际间核对与平均,得到了真空光速值c0=A v =299 792 458 m・s-l[6].以后物理学家和计量学家又经过10年的研究与验证，证明了在10-14范围内没有 发现真空光速值的方向异性[7].在1983年第17届国际计量大会上正式通过了利用真空光速 值作为“米”的新定义：“米是光在真空中，在1/299 792 458 s时间间隔内运行路程的长 度•”这是“米”定义的第三次变更.新“米”定义的特点是：把真空光速值作为一个固定不变的基本物理常量•真空光速值 再也不是可以测量的量，而是一个换算常量，而且不受精度的限制•长度量值可以通过测量光 在真空飞行的时间导出.3.1贯彻“米”的定义国际计量大会通过新“米”定义的同时，又通过“米”定义的三种实现途径：1） 利用光的飞行时间测量长度•在真空中，距离的长度l是测量一个平面电磁波通过距 离长度l的飞行时间t得到，即：l=c0t,c0=299 792 458 m・s-1.2） 借助频率为v的平面电磁波的真空波长入，这个波长入是利用测量平面电磁波的频 率v ,通过关系式入=c0/v得到的.3） 借助几台稳频激光器的频率（波长）值.这些稳频激光器是按一定方法进行稳频的，并 在一定技术条件下工作，可以得到一定精度的稳频激光器输出的波长（频率）值.1982年第7届 国际米定义咨询委员会（CCDM）推荐了5种稳频激光器的波长（频率）值，并在1983年第17届国 际计量大会上通过，作为复现新“米”定义的国际标准谱线•在1992年第8届CCDM会议上，总 结了 10年来的稳频激光技术的发展，改善了 5种稳频激光辐射标准谱线的标准不确定度.同时 根据科学技术发展的需要又增加了 3种新型稳频激光辐射谱线作为复现米定义的新标准谱 线.1997年国际计量大会又增加了4种稳频激光输出的波长（频率）值作为实现“米”定义的 国际标准谱线•按国际计量局局长T.J.Quinn在《Metrologia》（1999,36（2）:211~244）上发 表的《实现米定义的公告》，共有12种稳频激光器的波长（频率）值作为实现“米”定义的国 际标准谱线•其中有2种稳频激光器是中国计量科学研究院的计量科学家们研制的.3.2实现“米”定义的稳频激光器3.2.1稳频激光的参考谱线自由运转激光器的输出频率会受到各种因素的干扰,使激光频率产生短期抖动和长期漂 移，从而导致激光频率稳定性和复现性变差.因此，当激光辐射之波长作为波长（频率）标准时, 通常应进行稳频.20世纪60年代中期以来,科学家们致力于研究探索寻找稳频激光的参考谱 线•作为稳频激光参考谱线至少具备两个特点：一是参考谱线线宽要窄,线形要对称;二是参 考谱线的中心频率要处于激光输出的频率范围内.3.2.2激光稳频技术和抑制谱线加宽激光诞生后，人们立即开始对稳频激光技术的研究•从1961年起，科学家们主要是进行氦 氖激光器的频率稳频的研究，开始是把氦氖激光的谱线稳定在激光的多普勒曲线的极大值上. 其激光稳频技术详细的介绍，见文献[11].因为，氦氖激光的多普勒曲线的全宽约为1 600MHz, 所以频率的稳定性与复现性只在10-7量级.后来，兰姆理论成功的解释了激光辐射“烧孔效 应”，人们利用兰姆凹陷中心作为稳频的参考点•中国计量科学研究院的科学家们探索出兰 姆凹陷隐频633 nm氦氖激光器的规律是:当兰姆凹陷的深度为它的多普勒功率曲线的1/10强 时,频率稳定性可达到10-9,复现性为10-8量级.因为,兰姆凹陷的全宽约为50 MHz•中国计量 科学研究院研制成功的兰姆凹陷稳频633 nm氦氖激光器的波长（频率）值，从20世纪70年代初 就被原国家计量局批准为国家长度单位副基准,同时得到国际承认,至今还在国内外广泛应 用。
3.3激光频率的测量与激光波长的测量3.3.1激光频率的测量稳频激光器的频率主要在可见光波段内，频率高达1015Hz,因此直接测量稳频激光器的 频率，目前困难很大.20世纪60年代末，原美国国家标准局（BNS）利用触须二极管（MIM,即金属 -绝缘层-金属）接收了激光与激光,激光与微波间的频差•利用频率综合的方法：即为了测量 一种未知的激光频率v x必须找到两种已知频率v 1和v 2的激光，使它们的多次谐波的叠加 与v x相近，其差值再用频率为v 3的速调管的谐波来补偿，即v 1, v 2, v 3应满足下式：V； = nV[ 士 加岭 ± “利用这种方法,Evenson等人首先实现了对88 THz（甲烷稳频3.39p m激光器）频率的测量3.3.2激光波长的测量稳频激光的波长值及其频率值是执行米定义的主要参数•波长与频率是通过真空光速值 相联系的.稳频激光的频率测量在上节已提到•波长测量过去是利用已知的标准波长与未知 的波长在干涉仪同一光程差下的干涉级次之比，其倒数就是波长比.当被测量波长与标准波 长相近时,测得的波长值的精度几乎可达到与标准波长的精度相同•但两个波长相差比较大 时，不仅干涉仪的性能会发生变化，即使是利用反射镜的同一部位，红外光的衍射现象也比可 见光严重的多，这时量误差也就较大•衍射效应引起的误差与波长的平方成正比4结束语从长度单位基准 “米”定义的演变和发展，可以看出经济和科学技术的发展不断对计量科学技术提出新的要求•自然科学,特别是物理学的进步是计量科学更新与发展的基 础•崭新的计量科学技术提高了单位量值的测量不确定度，也促进了自然科学进步•当今长度 单位虽然还是计量基本单位,但它已是时间单位的导出单位,并将在物理学中逐步更新时空 概念•今后，物理学家与计量科学家应努力研究能直接接收可见光、紫外和更高电磁波频率的 光电接收器•这样就可以将物理学中光学与电子学联系起来这将会给物理学、技术科学带来 新的革命.目前，国际计量大会通过了实现“米”定义从红外到可见光多种稳频激光器作为 不同电磁波波段的基准，这就为时间频率基准与可见光和紫外光的频率之间建立起一架频率 链的桥梁•以后，新型高精度不同波段的稳频激光器还会出现，它们还会被通过作为实现“米”定义的标准谱线.。